Элементарные частицы. 
Элементы квантовой физики

Свойства элементарных частиц. Гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия

Элементарными частицами называют мельчайшие неделимые частицы вещества, которые не имеют внутренней структуры или, точнее, она еще не известна. Элементарные частицы могут вступать в реакции с другими частицами, при этом возникают новые частицы. Например, реакции взаимопревращения нейтрона и протона происходит с возникновением электрона, позитрона, нейтрино н, антинейтрино н^~. Кроме электронов, протонов и нейтронов, которые входят в состав любого атома, в настоящее время известно около 400 элементарных частиц. Их открытие произошло в начале ХХ века физиками, которые заняты изучением фундаментальной структуры материи, и продолжается до настоящего момента при изучении результатов столкновений разных частиц, ускоренных до больших кинетических энергий. Основными характеристиками элементарных частиц являются: масса частицы, спин или собственный момент импульса, среднее время жизни, электрический заряд, Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку эта масса не зависит от состояния движения. Электрон — самая легкая частица с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон тяжелее электрона почти в 2000 раз. А самая тяжелая из известных элементарных частиц Z-частица обладает массой в 200 000 раз больше массы электрона. Частица, имеющая нулевую массу покоя и движущаяся со скоростью света, называется фотоном. Масса покоя выражается обычно в единицах энергии в соответствии с соотношением Эйнштейна Е=mc² и варьируется в пределах от нуля до 10¹⁰ эВ.

Важная характеристика частицы — спин (собственный момент импульса). Спин связан с симметрией частиц при вращении, измеряется в единицах h (постоянная Планка) и может иметь только дискретные (квантованные) значения, равные целому или полуцелому числу. Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин ½, а спин фотона равен 1. Известны частицы со спином 0, 3/2, 2. Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частицы со спином 1 принимают тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином ½ приобретает прежний вид после оборота на 720° и т. д. Частица со спином 2 принимает прежнее положение через пол-оборота. В зависимости от спина, все частицы делятся на две группы: бозоны — частицы со спинами 0, 1 и 2; фермионы — частицы с полуцелыми спинами.

Частицы характеризуются также временем жизни, так как они могут самопроизвольно распадаться и превращаться в другие. По этому свойству частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы — это электрон, протон, фотон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома, а свободный нейтрон распадается примерно за 15 минут. Все остальные известные частицы — нестабильны, время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10^_23с.

Электрический заряд элементарных частиц меняется в довольно узком диапазоне и всегда кратен фундаментальной единице заряда — заряду электрона. Некоторые частицы (фотон, нейтрино) вовсе не имеют заряда. Электрический заряд характеризует способность частиц участвовать в электромагнитном взаимодействии с другими частицами, он подчиняется закону сохранения, т. е. суммарный заряд системы ни при каких либо взаимопревращениях частиц не меняется.

Кроме этих характеристик имеется и более сложные _ лептонный заряд, барионный заряд, пространственная четность и др. Эти характеристики учитывают возможность частиц участвовать в разных типах взаимодействий и возможные варианты их взаимопревращений (реакций). Большую роль в физике элементарных частиц играют законы сохранения, устанавливающие равенство между определенными комбинациями величин, характеризующих начальное и конечное состояние системы. Арсенал законов сохранения в квантовой физике больше, чем в классической. Он пополнился законами сохранения различных специфических видов симметрии (пространственной, зарядовой), и законами сохранения различных зарядов (электрического, лептонного, барионного и др.).

Как известно, все действующие в природе силы можно свести всего лишь к четырем фундаментальным взаимодействиям: гравитационному, электромагнитному, слабому ядерному и сильному ядерному. Именно эти взаимодействия, в конечном счете, отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех преобразований и процессов.

• 1. Гравитационное взаимодействие присуще всем элементарным частицам, имеющим ненулевую массу покоя, это взаимодействие действует на больших расстояниях, но оно самое слабое по величине и поэтому не влияет на процессы взаимопревращений элементарных частиц. Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселенной. Гравитация является универсальным взаимодействием, так как каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации. Поскольку каждая частица вещества вызывает гравитационное притяжение, гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. Мы ощущаем гравитацию в повседневной жизни потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. И хотя действие гравитационного притяжения одного атома пренебрежимо мало, результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Гравитация — дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.
• 2. Электромагнитное взаимодействие присуще элементарным частицам, имеющим отличный от нуля электрический заряд, оно также дальнодействующее, а по величине энергии взаимодействия на 36 порядков сильнее гравитационного. В течение долгого времени электрическое и магнитное взаимодействие изучались независимо друг от друга, но в середине XIX в. Дж. К. Максвелл, объединил электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма — первой единой теории поля. Вследствие дальнодействующего характера электрических и магнитных сил, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника, например, магнитное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему. Вследствие большой величины электромагнитного взаимодействия и наличия заряда у ядра атома и у его оболочки, именно это взаимодействие определяет структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов.
• 3. Сильное ядерное взаимодействие является близкодействующими, оно действует между частицами только на расстояниях, сравнимыми с размерами ядра, а по величине оно больше гравитационного на 38 порядков. К представлению о существовании сильного взаимодействия физика пришла в ходе изучения структуры атомного ядра. Для объяснения стабильности ядер необходима была какая-то сила, которая могла бы удерживать протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация для этого слишком слаба, необходимо было новое взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается. Радиус действия новой силы оказался очень малым, сильное взаимодействие резко уменьшается на расстоянии превышающем примерно 10^_15м. Кроме того, выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы, его испытывают протоны и нейтроны, а электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия было разработано в начале 60-х годов, когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются как составные частицы, построенные из более элементарных частиц — кварков. Сильное взаимодействие, вследствие своей большой величины, является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, объясняемой сильным взаимодействием, — это наше Солнце. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции и выделяется огромное количество энергии, переносимой на нашу Землю с помощью электромагнитного излучения. Человек тоже научился высвобождать энергию сильного взаимодействия с помощью ядерных реакторов на атомных электростанциях.

Слабое ядерное взаимодействие является близкодействующим, по величине оно больше гравитационного на 23 порядка. Слабое взаимодействие было обнаружено при изучении радиоактивности и бета-распада. Обнаружилось, что в этом распаде нарушается один из фундаментальных законов физики — закон сохранения энергии. Казалось, что в этом распаде часть энергии куда-то исчезала. Чтобы «спасти» закон сохранения энергии, Паули предположил, что вместе с электроном при бета-распаде должна вылетать еще одна частица _ нейтрино, она должна быть нейтральной и обладать высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать ранее. Исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны после освобождения из ядра через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т. е. вместо одной частицы появляются три новые. Анализ реакции привел к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Очевидно, он порождался какой-то иной силой. Взаимодействие, связанное с этой силой, назвали слабым взаимодействием, оно оказалось гораздо слабее электромагнитного, хотя и сильнее гравитационного. Радиус слабого взаимодействия оказался очень мал, уже на расстоянии большем 10^-18м от источника оно исчезает. Поэтому данное взаимодействие сильно влияет только на процессы, возникающие при сближении элементарных частиц. Впоследствии выяснилось, что большинство элементарных частиц участвует в слабом взаимодействии. Теория слабого взаимодействия была создана в конце б0-х годов С. Вайнбергом и А. Саламом.